Введение к работе
Актуальность теньи
Интенсивное развитие современной техники поставило перед исследователями задачу создания высокотемпературных высокочистых материалов с заданными свойствами.
Одним из таких материалов является нитрид титана. Он является перспективным материалом в качестве эрозионно-, коррозионно- и износостойких покрытий, находит широкое применение в электронике, машиностроении, химической технологии, медицине. Благодаря целому ряду достоинств, наиболее перспективным методом формирования этих покрытий, а также получения нитрида титана в виде порошка является осаждение и синтез из парогазовых сред, частным случаем которого является метод водородного восстановления.
Отеугствие в нашей стране производства высокочнетых тугоплавких соединений и, в то же время, наличие в ряде развитых стран производства таких материалов указывает на актуальность поставленной задачи.
Цепь работы
Исследование физико-химических условий осаждения нитрида титана высокой чистоты из парогазовой смеси на подложки различных форм и размеров.
Идея работы
Данная работа посвящена исследованию возможностей получения порошков и покрытий из нитрида титана методом восстановления титана из смеси ТІСЦ + Ш в присутствии азота.
Методика исследования и аппаратура.
Теоретическая часть исследований заключалась в термодинамическом анализе равновесий в системе Ti-N-Cl-H с использованием алгоритма, основанного на поиске глобального минимума потенциала
-2-Гиббса.
Нитрид титана получали в специально разработанной аппаратуре высокотемпературного восстановления титана из его тетрахлорида водородом. Использованы методы получения тетрахлорида титана, водорода и азота высокой чистоты, расход которых в процессе получения нитрида титана поддерживали автоматически. Измерение температуры в рабочем пространстве производили с помощью оптических пирометров. Математическое моделирование процессов получения нитрида титана проводили с использованием методов математической статистики. Идентификация математических моделей была проведена с помощью ЭВМ. Все регрессионные уравнения адекватны экспериментальным данным с уровнем значимости 0,05 .
Научная новизна
1. Детально исследованы условия термодинамического равновесия в системе Ti-N-Cl-H. Построены два типа мультидиаграмм изотермических сечений для трех давлений - 0,01, 0,1 и 1,0 МПа - в диапазоне температур 700-2000 К; построена диаграмма выходов TiN в зависимости от числа молей водорода и азота; построена диаграмма равновесных составов по всем компонентам системы в указанном диапазоне температур при Р = 0,1 Бар и стехиометрическом составе исходной смеси.
-
С помощью статистических методов с применением ЭВМ получены математические модели водородного восстановления тетрахлорида титана в виде многофакторннх адекватных математических моделей. Выведены уравнения зависимости скорости осаждения нитрида титана и его извлечения от расхода реагентов и температуры.
-
Получены экспериментальные энергии активации процесса. При температуре ниже 1200С лимитирующим фактором при образовании твердой фазы нитрида титана является энергия активации кристаллизации. В этом режиме скорость образования новых центров кристаллизации превалирует над скоростью дальнейшего роста кристаллов. Осадок
-3-нитрида титана в указанных условиях является мелкокристаллическим, а энергия активации равна 98,24 кДж/моль. При температуре выше 1200С лимитирующим фактором становится диффузия в газовой фазе. Осадок нитрида титана, полученный в этих условиях является крупнокристаллическим или порошкообразным, а энергия активации диффузии равна 11,35 кДж/моль.
Практическая тачимость работы
1. На основании проведенных исследований разработана экологически чистая технология получения порошков и покрытий из нитрида титана методом водородного восстановления из парогазовой смеси (ПГС).
2. Разработаны и сконструированы установки для получения покрытий и порошков из нитрида титана на подложках различной формы. Всего создано три типа установок, различающихся по способу нагрева в реакционной зоне.
-
Определены оптимальные области технологических параметров.
-
Построены диаграммы, позволяющие определять условия получения мононитрида титана высокой чистоты.
5. Проведенный анализ полученных образцов показал, что полученный материал удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к соединениям подобного рода по химической чистоте, инертности, цвету и механическим свойствам. Высокая чистота и коррозионная стойкость нитрида титана, получаемого по разработанной технологии, делают его полностью безопасным для здоровья при использовании в медицинских и других целях (зубопротезирование, упрочнение ножей для разделки пищевых продуктов и др.).
Положения, выносимые на защиту
1. Термодинамический анализ системы Ti-N-Cl-H с представлением графических результатов расчета равновесий.
-
Зависимость выхода TiN от содержания № к Нг в парогазовой смеси.
-
Закономерности процесса осаждения нитрида титана из газовой фазы на нагретых поверхностях различных форм и размеров и разработка технологии получения покрытий и порошков нитрида титана в процессе водородного восстановления его тетрахлорида.
4. Зависимость скорости осаждения и извлечения титана в целевую фазу от технологических параметров процесса.
5. Опытно-промышленные установки для получения нитрида титана на подложках разной формы.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технической конференции СКГМИ (г.Владикавказ, 1993 г.) и научно-технических конференциях СКГТУ (г.Владикавказ, 1995, 1996 гг.).
Публикации
Основные результаты диссертации изложены в 5-ти статьях.
Структура и объен работы
Часть диссертационной работы выполнена в институте "ГИРЕДМЕТ".
Диссертация состоит из введения, 4-х глав, выводов, библиографического списка из 70 наименований, 1 приложения и содержит 136 стр. машинописного текста, 28 рисунков и 13 таблиц.